第一章粘土胶体化学

第一章 粘土胶体化学基础(4学时)

第一节

胶体的概念和特征

第二节 常见粘土矿物及性质

第一章 粘土胶体化学基础

第一节 胶体的概念和特征油田化学研究的体系和过程十分复杂，绝大多数体系属于或 涉及胶体分散体系。如原油其实是油和水的乳状液，可归为

胶体，而油藏则是巨大而复杂的高度分散体系。原油开发涉及的钻井液、完井液、调剖堵水液、酸化液、压裂液及提高

采收率的驱替液等等油田化学的工作液无不与胶体体系有关。

1、胶体的概念1)分散体系的分类

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根据分散颗粒的大小不同，将分散体系分成三类，如表1-1。表1-1按颗粒大小分类的分散体系

类型 粗分散体系 (悬浮体、乳状液) 胶体体系 (溶胶、微乳液) 分子与离子分散 体系(溶液)

微粒大小 >100 nm

主要特征 颗粒不能通过滤纸，不扩散，不渗析， 显微镜下可见

100~1 nm 颗粒能通过滤纸，扩散很慢，不渗析， 超显微镜下可见 <1 nm 颗粒能通过滤纸，扩散很快，能渗析， 显微镜和超显微镜下都看不见

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根据分类依据，不同聚集状态分散相的颗粒大小在1~100nm之间，则在 不同状态的分散介质中均可形成胶体体系。气-气除外的其它分散体系 均可形成胶体体系，如表1-2

表1-2 按聚集状态分类的胶体体系

分散 介质气态 液态

分散相 气态 — 泡沫 液态 云雾 乳状液、牛奶 乳化原油 固态 青烟、高空灰尘 金溶胶 墨汁，钻井液

固态

泡沫塑料 沸石、冰淇淋

珍珠 水凝胶

红宝石 合金

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习惯上，把分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶或溶胶(sol)。

如油气田开发中常用的水基钻井液体系就是一种将粘土分散在水中形成的胶体悬浮体系；分散介质为固体时，称为固溶胶，如合金； 分散介质为气体时为气溶胶，如烟尘、低压油气田开发用的气基钻

井液等。 由此可见，胶体体系是多种多样的。胶体是物质存在的一种特殊状态，而不是一种特殊的物质，不是物质的本性。

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2)胶体的概念定义：胶体大小的微粒(至少在一个方向为1~100nm之间)分散在 另一种连续介质中所形成的分散体系称胶体体系。

另外，有一大类物质(如纤维素、蛋白质、橡胶以及许多合成高聚物)

在适当的溶剂中溶解虽可形成真溶液，但它们的分子量很大(常在1万或几十万以上，故称为高分子物质),因此表现出的许多性质(如溶液 的粘度、电导等)与低分子真溶液有所不同，而在某些方面(如分子大 小)却有类似于胶体的性质，所以在历史上高分子溶液一般被

纳入胶体 化学进行讨论。

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胶体化学：研究胶体的生成和破坏以及它们的物理化学性质的科学。 有三大分支：胶体物理化学，表面物理化学，高分子物理化学

粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生 成、破坏和它们的物理化学性质的科学。 是粘土矿物与胶体化学的边界学科。

由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定的大小为其特征的，故胶粒 本身与分散介质之间必有一明显的物理分界面。这意味着胶体体系必 然是两相或多相的不均匀分散体系。

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3)胶体化学的研究对象 传统胶体化学研究对象：溶胶(憎液胶体)和高分子真溶液(亲液胶体)

20多年前，Shaw把表面活性剂中以肥皂为代表的皂类视为第三类胶体，称其为缔合胶体。

进入二十一世纪，时代在前进，科技在进步，胶体化学也得到较大的 发展，现代胶体化学的分支领域或主要研究内容列于表1-3。

第一章 粘土胶体化学基础 表1-3 现代胶体科学的研究内容

研究对象

研究内容分散体系的 形成与稳定 光学性能 流变性能

体系气溶胶 憎液溶胶 亲液溶胶 粗分散体系(乳状液、 悬浮液) 智能流体，电、磁流体 单分散、单一形状颗粒 的形成 纳米颗粒的有序排列

理论气溶胶理论 成核理论，DLVO与 HVO稳定理论 高聚物溶液理论 胶束理论 光吸收与光散射理论 理论与现象流变学 颗粒相互作用力理论

分散体系

纳米材料 分散体系

续表1-3 研究对象 研究内容 润湿、摩擦、 粘附 吸附现象 界面电现象 界面层结构 体系 气—固界面 液—固界面 气—液界面 液—液界面

第一章 粘土胶体化学基础 理论 表面力理论，表面层 结构，分子定向理论 各种吸附理论 双电层理论 界面光谱学和显微术 能谱扫描探针显微镜 激光拉曼等方法研究， 界面分子定向，界 面化学反应， 界面力的研究 分子间相互作用力 (氢键力、范德华力、 分子形状、弯曲能、相图) 液晶理论，类脂体与 蛋白质的相互作用， 分形理论 增溶现象，胶束催化， 定向合成

界面现象

有序组 合体

溶液中有序 分子组合体 生物膜与仿 生膜 有机无机 混合膜 有序组合体 中的物理化 学反应

胶束、微乳液、泡囊等 BLM膜，LB膜、脂质体， 液晶，分形体等 夹心结构，溶胶—凝胶膜 等

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丁达尔效应

由于溶胶的光学不均匀性，当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶系统，可发生散射现象-丁达尔现象。 丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。

2、胶体体系的基本特征1)具

有多相性

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相和相界面：相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均 匀部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体。相与相之间的 接触面称为相界面。 分散相与分散介质： 在多相分散体系中，被分散的物质叫做分散相。 包围分散相的另一种连续介质，称为分散介质。 分散度和比表面：分散度指分散相的分散程度，通常用分散相颗粒平均 直径或长度的倒数( D=1/a)来表示。比表面是物质分散度的另一种

量度，其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量(或总体积)之比。也即单位体积或单位重量(质量)物质的总的表面积。物质的颗粒愈小， 分散度愈高，比表面愈大 。

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胶体体系首先是以分散相颗粒有一定大小为特征的，故胶粒本身与分散 介质之间必有相界面，就是说胶体体系都是多相分散体系，多相性是胶 体的一个重要特征。

真溶液，溶质能自发地分散在介质之中，使体系的自由能减少，因此真 溶液是热力学稳定体系。缔合胶体是一种亲液胶体，也是热力学稳定体

系。但在制备许多胶体时，分散相不能自发地分散在介质中，需要作功强迫它分散成细颗粒，使体系的表面自由能增大，因此多相分散的胶体 是热力学不稳定体系，这就是真溶液与憎液胶体的根本区别。

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2)具有高度分散性 胶体体系中，分散相颗粒分散得很细，即分散相的分散(程)度很高。

3)具有聚结不稳定性 胶体都是高度分散的多相体系，具有非常大的总表面积，相应地具 有很高的总表面自由能，是热力学不稳定体系，体系表面自由能有 自发减小的倾向，胶体体系中分散得很细的分散相微粒就有自动聚 结(自动降低分散度)以缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结 不稳定性。

第二节 常见粘土矿物及性质

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石油勘探开发过程中，油田化学工作液要用到粘土作为施工材料

(如钻井液、调剖堵水剂等),油田化学剂或油田化学工作液接触的地层含有大量的粘土矿物，它们的性能变化与工艺施工的效果成 败、储层保护等关系密切，了解和掌握其晶体结构和性质，有重要

的指导价值。

1、粘土矿物的基本构造单元

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粘土矿物的种类繁多，一般分为层状结构和链状结构两大类。主要介

绍常见的层状粘土矿物。1)硅氧四面体及四面体片

图1-1 硅氧四面体

硅氧四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心(见 图1-1)。由多个硅氧四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四 面体

片有如下特点 共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下 在a、b两方向上无限延续。

两层氧原子均形成六角环(空心);

2)铝氧八面体和八面体片

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图1-2 铝氧八面体

铝氧八面体：由一个铝和六个氧或氢氧原子团组成，铝位于正八面体中 心，氧或氢氧原子团位于六个顶角。(见图1-2)。由多个铝氧八面体在a、 b两方向上有序排列组成八面体片。八面体片特点 无限延伸； 在a、b二维方向上

共有三个层面，铝原子层位于中间；上下两个层面组成六

角形(实心)。

3)层状粘土矿物的分类

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四面体片和八面体片对称性相似(都是六角对称的),六角环大小相 等，他们可以共用顶角氧原子而连接起来，组成层状粘土矿物的晶 层，晶层在C轴方向上的有序排列就构成层状粘土矿物。 单位晶层：由硅氧四面体片与铝氧八面体片组成的在C轴方向上能重 复再现的最小单位，称单位晶层或基本结构层，也称单位晶胞。 根据基本结构层的不同，层状结构粘土矿物分为：1:1型：一片四面体片和一片八面体片通过共用顶氧形成晶层, 它有五层原子面 (一层硅、一层铝、三层氧(或羟基)面)如高岭石。 2:1型：两片四面体片和一片八面体片形成晶层,它有七层原子面，如叶腊石、蒙 脱石。 2:1:1型：2:1型的晶层再结合一片水镁石片(三八面体)形成晶层，如绿泥石。

2、常见粘土矿物1)高岭石

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高岭石是1:1型的层状粘土矿物，其晶体构造见图1-3。晶层面一层是氧，另一层是氢氧原子团。单位晶胞面积为5.15×8.9Å2。图1-3

高 岭 石 晶 体 结 构 示 意 图

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C轴间距：晶层中某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离，单位为Å 晶格取代：占据晶格点阵位置的原子或离子被其它原子或离子取代而晶

格点阵保持不变的现象。通常指硅氧四面体中的硅、铝氧八面体中的铝被其它原子(通常为低一价的金属原子)取代，如四面体中的Si4+被Al3+ 取代，八面体中的Al3+被Mg2+取代。

可交换阳离子：晶格取代的结果使晶层表面带负电，为了平衡电价， 需在晶体表面结合一定数量的阳离子，这些为了平衡电价而结合的阳

离子称为补偿阳离子。由于这些阳离子是可以相互交换的，也称可交换阳离子。

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